JD36-630型壓力機(jī)機(jī)身有限元分析與測試

牛瑞霞，詹俊勇，仲太生，李士佩

（江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，大噸位、高剛度的閉式組合機(jī)身壓力機(jī)越來越受到青睞。對于目前的設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)人員大多采用材料力學(xué)中桿、梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)證[1-2]，但這種方法工作量大，設(shè)計(jì)過程繁雜，耗時耗力，對整臺壓力機(jī)的設(shè)計(jì)效率有一定的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，有限元單元模擬計(jì)算法逐漸被廣大設(shè)計(jì)者所接受，在壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面得到廣泛應(yīng)用。本文利用有限元分析軟件ANSYS，對JD36-630壓力機(jī)進(jìn)行機(jī)身分析，并對樣機(jī)進(jìn)行測試[3]，兩者結(jié)果對比，在此基礎(chǔ)上修正模型，為有限元分析與優(yōu)化提供實(shí)際參考。

1 有限元模型建立

JD36-630型壓力機(jī)機(jī)身有限元模型主要由橫梁、立柱和底座三大部分組成，通過拉緊螺桿連接起來，組裝時，給拉緊螺桿施加一定的預(yù)緊力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大小為1.5倍的公稱壓力。根據(jù)二維圖紙，借助SolidWorks繪制出三維模型，并導(dǎo)入ANSYS中，結(jié)果如圖1所示，機(jī)身為焊接件，機(jī)身及拉緊螺桿參數(shù)見表1。

圖1 組合機(jī)身有限元模型

表1 機(jī)身材料基本參數(shù)

1.1 有限元模型中結(jié)合面處理[4]

該機(jī)身三大件由鋼板焊接而成，采用粘結(jié)的結(jié)合方式，其中拉緊螺桿的螺母與橫梁，橫梁與立柱，立柱與底座，底座與下面的螺母之間采用不分離的接觸方式，即目標(biāo)面和接觸面一旦建立接觸就不再分離，但沿接觸面允許微小的滑動。

1.2 邊界條件

壓力機(jī)底座通過地腳螺栓與地基相連的部分6自由度全約束，底座面上其他與地基接觸的面引入三坐標(biāo)接觸約束，機(jī)身工作時承受兩個方向相反、大小相等的載荷，一個作用在曲軸孔上，方向朝上；另一個作用在工作臺板上，方向朝下，四根拉緊螺桿上分別承受1.5倍的預(yù)緊力，同時機(jī)身還受到重力的作用，示意圖如圖2。

圖2 機(jī)身受力示意圖

2 靜態(tài)特性分析

2.1 強(qiáng)度分析

機(jī)身應(yīng)力分布如圖3所示，機(jī)身最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁拉緊螺桿孔的一圈，最大為138.89MPa，機(jī)身整體應(yīng)力在20～50MPa。

圖3 機(jī)身應(yīng)力云圖

2.2 剛度分析

機(jī)身變形如圖4所示，最大變形發(fā)生在拉緊螺桿上，最大為2.246mm。

圖4 機(jī)身變形云圖

3 壓力機(jī)測試

3.1 應(yīng)力測試

根據(jù)JD36-630壓力機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)和受力，在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力測點(diǎn)粘貼上電阻應(yīng)變片，測試中將電阻應(yīng)變片與靜態(tài)應(yīng)變儀相連，參照實(shí)際工況給壓力機(jī)加載，通過計(jì)算機(jī)控制，將測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)采集下來。

3.2 變形測試

利用位移傳感器（即百分表）測試壓力機(jī)在工況下靜態(tài)加載時各典型位置的位移情況。為機(jī)床剛度性能優(yōu)劣分析提供可靠依據(jù)。

3.3 測試結(jié)果及對比

圖5 現(xiàn)場測試圖

在測試過程中，先對壓力機(jī)施加1.5倍公稱壓力的預(yù)緊力且裝配好整臺機(jī)床，將測試儀器調(diào)零，因此，在預(yù)緊力和載荷共同作用的應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)上，減去只有預(yù)緊力作用下的應(yīng)力和變形值，才是最終測得的值，分別在四根立柱上取兩點(diǎn)，與實(shí)測應(yīng)力對比，結(jié)果基本吻合，誤差不到10%，對比結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)身受載時各取樣點(diǎn)應(yīng)力值對比

根據(jù)實(shí)測變形與有限元分析的變形值繪制變形曲線，如圖7所示，兩者變形值基本接近。

4 結(jié)論

（1）通過對ANSYS有限元模型接觸面的處理以及預(yù)緊螺栓施加預(yù)緊力的作用，更加接近壓力機(jī)實(shí)際工況。從對橫梁、立柱、底座的靜態(tài)應(yīng)力分析和測試對比中可以看出，二者的結(jié)果很接近。因此可以綜合有限元計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)果，利用有限元分析機(jī)身應(yīng)力具有一定可行性。

（2）通過有限元分析和測試相結(jié)合的方法對JD36-630型壓力機(jī)分析，不僅可以避免因單獨(dú)進(jìn)行有限元分析或測試帶來的誤差，提高了分析結(jié)果的可靠性，也驗(yàn)證了有限元的正確性。

圖6 取樣點(diǎn)標(biāo)注圖

圖7 機(jī)身受載時變形值對比

[1]何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]張 皓，賈 方，王興松.閉式壓力機(jī)組合機(jī)身的有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（4）：32-35.

[3]詹俊勇.JH21-63型壓力機(jī)機(jī)身的有限元分析與結(jié)構(gòu)測試[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（2）：61-63.

[4]袁松梅，林繼杰，劉 強(qiáng).數(shù)控機(jī)床整機(jī)有限元分析[J].機(jī)床與液壓，2008，（4）：17-19.

[5]沈煒良，金 紅，陳 瑋.高速壓力機(jī)組合機(jī)身的有限元分析.現(xiàn)代制造工程，2004，（5）：56-58.